1936

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Определим компоненты вектора градиента по (4):

При заданном соотношении жесткостей EI1 = 2EI, EI2 = 2EI, EI3 = EI и найденном

Сравнивая значения коэффициентов влияния fk, можно сделать вывод, что изменение жесткости сечения 3-го стержня будет мало влиять на величину собственной частоты колебаний стержневой системы.

Результаты численных экспериментов с использованием ПВК «Лира» [3] представлены на рис.3; 4. При этом принято m – вес динамической массы, равный 10 кН.

EI1 = 40000 кНм2, EIригеля = 40000 кНм2, EI3 = 20000 кНм2.

10

Рис. 3. Частоты колебаний для заданной схемы в ПВК «Лира»

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Рис. 4. Графики зависимости первой частоты собственных колебаний от жесткостей элементов системы

Вывод. Получены зависимости для определения компонент вектора градиента частот собственных колебаний (коэффициентов влияния) по изгибным жесткостям элементов плоских стержневых систем. Они позволяют судить о том, жесткости каких стержней системы в наибольшей степени влияют на величину частот собственных колебаний данной системы.

Список литературы

1.Смирнов, А.Ф. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений

/А.Ф. Смирнов, Б.Я. Лащеников, Н.Н. Шапошников; под ред. А.Ф. Смирнова. – М.: Стройиздат, 1984. – 416 с.

2.Шеин, А.И. Схемы и теория гасителей пространственных колебаний сооружений

/А.И. Шеин, О.Г. Земцова // Региональная архитектура и строительство. – 2010. –

№1. – С. 45–52.

3.Земцова, О.Г. Комплексы программ, применяемые для моделирования и расчета конструкций зданий и сооружений / О.Г. Земцова // Моделирование и механика конструкций: электронный научный журнал. – 2015. – №1. – URL: http://mechanics.pguas.ru/Plone/nomera-zhurnala/no1/ matematicheskoe-modelirovanie- chislennye-metody-i-kompleksy-programm/kompleksy-programm-primenyaemye-dlya- modelirovaniya-i-rascheta-konstrukcii-zdanii-i-sooruzhenii/view

References

1.Smirnov, A.F. Structural mechanics. Dynamics and stability of structures / A.F. Smirnov, B.Y. Lisenkov, N.N. Shaposhnikov; ed. by A. F. Smirnov. – M.: Stroiizdat, 1984. – 416 p.

2.Shein, A. I. Schema theory and spatial damper of vibrations of structures / A.I. Shein, O.G. Zemtsova // Regional architecture and construction. – 2010. – No. 1. – Р. 45–52.

3.Zemtsova, O.G. Complexes of programs used for simulation and calculation of designs of buildings and structures / O.G. Zemtsova // Modeling and mechanics of structures: electronic scientific journal. – 2015. – №1. – URL: http://mechanics.pguas.ru/ Plone/nomera-zhurnala/no1/matematicheskoe-modelirovanie-chislennye-metody-i- kompleksy-programm/kompleksy-programm-primenyaemye-dlya-modelirovaniya-i- rascheta-konstrukcii-zdanii-i-sooruzhenii/view

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

УДК 69.059.3

УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РЕБРИСТЫХ ПЛИТ ПОКРЫТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО КОРПУСА

И.С Гучкин, Д.В. Артюшин, Н.Н. Ласьков

Рассматриваются результаты внедрения эффективной конструкции усиления поврежденных коррозией ребристых железобетонных плит покрытия производственного корпуса. Приводятся данные обследования плит, расчеты их несущей способности до и после усиления. Предлагается конструкция усиления плит в двух вариантах: простое – с помощью шпренгеля и комплексное – шпренгелем и стальной пластиной. Оценивается достигнутый эффект от усиления плит.

Ключевые слова: железобетонные ребристые плиты, коррозия арматуры, методы усиления, усиление шпренгелем, усиление стальной пластиной, комплексное усиление

STRENGTHENING OF REINFORCED CONCRETE RIDGE SLABS

OF ENGINEERING BUILDING COVERING

I.S. Guchkin, D.V. Artyushin, N.N. Laskov

The results of introduction an efficient design of strengthening ridge reinforced concrete slabs of engineering building covering damaged by corrosion are considered. Inspections of slabs, calculations of their bearing ability before and after strengthening are given. The structure of slabs strengthening in two options is offered: a simple one – with the help subdiagonal and complex – subdiagonal and a steel plate. The reached effect of slabs strengthening is estimated.

Keywords: reinforced concrete slabs, corrosion of armature, strengthening methods, strengthening by a subdiagonal, strengthening by a steel plate, complex strengthening

Железобетонные плиты покрытия (перекрытия) являются наиболее ответственными несущими конструкциями здания, однако, работая в сложных условиях, они могут получить различные повреждения (такие, как опасные нормальные или наклонные трещины, коррозия рабочей арматуры, чрезмерный прогиб), грозящие их внезапным обрушением. Существующие традиционные способы усиления предварительно напряженных плит, как правило, весьма трудо- и материалозатратны и сопряжены с остановкой производства. С целью решения актуальной проблемы дальнейшей безопасной эксплуатации поврежденных плит была разработана на методологических основах анализа и синтеза сложных многокритериальных систем [1–3] и в дальнейшем реализована на практике эффективная конструкция усиления ребристых железобе-

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

тонных плит покрытия производственного корпуса ООО АК «Домостроитель» в г. Пензе.

Производственный корпус эксплуатируется с 1984 года. Покрытие здания выполнено из ребристых комплексных железобетонных предварительно напряженных

плит марки ПА V 3г (серия 1.465-7, вып. 1). Предварительно напряженная арма-

3 6

тура плит класса Ат-V (Rsn=785 МПа, Rs=680 МПа). Проектная прочность бетона соответствует марке М300 (Rb=14,5 МПа, Rbt=1,05 МПа).

Обследование показало, что за время длительной эксплуатации в неблагоприятных условиях (образование конденсата, протечки кровли, перегрузка снегом) при малой толщине защитного слоя арматуры отдельные элементы железобетонных плит покрытия, включая полку, поперечные и продольные ребра, получили существенные повреждения. Инструментальным обследованием установлено, что прочность бетона плит примерно соответствует проектной, однако во многих элементах плит присутствуют дефекты и повреждения, снижающие их несущую способность. Наиболее опасными повреждениями плит являются отслоение защитного слоя и коррозия рабочей арматуры продольныхребер. Ослаблениесеченияарматурыкоррозиейсоставляет15-20 %.

Оценка прочности продольных ребер с учетом имеющихся повреждений производилась в соответствии со СНиП 2.03.01–84* и СНиП 52-01–2003 [4, 5].

Расчетная схема плиты покрытия представлена на рис. 1. Расчетная погонная нагрузка на

Рис. 1. Расчетная схема (а), поперечное (б) и расчетное (в) сечения плиты

Ширина полки bf 560 мм расчетного сечения плиты принята с учетом указаний [6, п. 8.1.11], согласно которым суммарная ширина примыкающих к продольным

следовательно, нейтральная ось сечения располагается в ребре.

Расчет показал, что площадь сечения поврежденной коррозией арматуры продольных ребер (As, fact 322 мм2 ) незначительно меньше требуемой.

Однако необходимо учитывать, что имеющиеся в ребрах продольные трещины, расположенные на уровне рабочих стержней, свидетельствуют об интенсивно развивающейся коррозии и в дальнейшем могут привести к проскальзыванию напрягаемой арматуры, что грозит резким увеличением прогиба и ширины раскрытия вертикальных трещин в ребрах, а при массовом отслоении защитного слоя – внезапным обрушением плиты. Поэтому необходимость усиления поврежденных коррозией продольных ребер очевидна [7, 8].

Для усиления продольных ребер плит разработана стержневая шпренгельная система (шпренгель) из арматуры класса А240 диаметром 18 мм. Расчетная схема двух продольных ребер плиты показана на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема (а) и расчетное сечение (б) плиты, усиленной шпренгелем

Поверочный расчет в упругой стадии по известным формулам сопромата показал, что прочность продольных ребер, усиленных шпренгельной системой, увеличилась на 33,8 %, что гарантирует безопасную эксплуатацию плит при частичном (не более 40 %) отслоении защитного слоя.

Конструкция усиления продольных ребер шпренгелем представлена на рис. 3. Технология усиления продольных ребер плит шпренгелем включает следующие

этапы:

–ограждение зоны усиления от посторонних людей;

–вскрытие кровли в зоне усиления;

–обнажение торца плит в зоне усиления;

–установка в проектное положение детали М2;

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

–монтаж в проектное положение детали М3 с помощью сварки с предварительно вскрытыми участками конструктивной продольной арматуры;

–установка в проектное положение ветви шпренгеля М1 и натяжение стяжной

(напрягающей) муфтой усилием, примерно соответствующим моменту 40-50 кг м;

–выполнение антикоррозионного покрытия металлических деталей усиления;

–восстановление кровли.

Рис. 3. Конструкция усиления продольных ребер плит покрытия шпренгелем

При значительном (более 40 %) отслоении защитного слоя необходимо выполнить комплексное усиление продольных ребер, увеличивающее их несущую способность в два и более раза. В этом случае дополнительно к шпренгелю между смежными плитами размещается стальная пластина толщиной 10-20 мм, опирающаяся на стропильные конструкции (фермы, балки) и воспринимающая часть нагрузки от плиты через опорные столики, приваренные к пластине снизу и подпирающие продольные ребра. Конструкция усиления продольных ребер стальной пластиной показана на рис. 4. Усиление пластиной выполняется перед монтажом шпренгеля.

Рис. 4. Конструкция усиления продольных ребер плит стальной пластиной

BUILDING STRUCTURES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований показали, что и простое усиление ребристых железобетонных плит покрытия производственного корпуса шпренгельной системой, и комплексное – с использованием шпренгеля и стальных пластин – являются эффективными, малозатратными и нетрудоемкими. Усиление плит выполняют без остановки производственного цикла, обеспечивая лишь обязательное проведение страховочных мероприятий, ограничивающих доступ людей в опасную зону. Ремонт поперечных ребер и полки осуществляется традиционными методами, предотвращающими развитие коррозионных процессов, а при необходимости усиления к сечению полки добавляется слой армированного бетона класса не менее В15.

Исполнение комплекса перечисленных мероприятий гарантирует дальнейшую безопасную работу плит на длительный период в соответствии с требованиями действующих Норм.

Список литературы

1. Danilov, A. Systems approach to the modeling and synthesis of building materials / A. Danilov, I. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Т. 8, № 5-8. – С. 219–225.

2. Budylina, E. Control of multiobjective complex systems / E. Budylina, A. Danilov,

I.Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Т. 8, № 9. – С. 441–445.

3.Бормотов, А.Н. Многокритериальный синтез композита как задача управления: А.Н. Бормотов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. –

Тамбов, 2010. – Т. 16, № 4.– С. 924–937.

4.СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. – М.: ФГУП ЦПП, 2000.

5.СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 24 с.

6.СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Свод правил. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. – М.: ФЦС, 2012. – 156 с.

7.Гучкин, И.С. Техническая эксплуатация и реконструкция зданий / И.С. Гучкин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во АСВ, 2013. – 295 с.

8.Муленкова, В.И. Расчет и конструирование усиления железобетонных и каменных конструкций / В.И. Муленкова, Д.В. Артюшин. – Пенза: ПГУАС, 2014. – 118 с.

References

1.Danilov, A. Systems approach to the modeling and synthesis of building materials / A. Danilov, I. Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, № 5-8. – С. 219–225.

2. Budylina, E. Control of multiobjective complex systems / E. Budylina, A. Danilov,

I.Garkina // Contemporary Engineering Sciences. – 2015. – Vol. 8, № 9. – С. 441–445.

3.Bormotov, A.N. Multicriteria synthesis of a composite as problem of management:

A.N. Bormotov // Bulletin of the Tambov state technical university.– Tambov, 2010. – Vol. 16, № 4. – P. 924–937.

4.SNIP 2.03.01-84*. Concrete and reinforced concrete structures. Norms of design. – M.: FGUP CPP, 2000.

5.SNIP 52-01-2003. Concrete and reinforced concrete structures. The main provisions. – M.: FGUP CPP, 2004. – 24 p.

6.SP 63.13330.2012. Concrete and reinforced concrete structures. Set of rules. Basic provisions. The staticized edition SNIP 52-01-2003. – M.: FCS, 2012. – 156 p.

7.Guchkin, I.S. The technical operation and reconstruction of buildings / I.S. Guchkin. – 2nd edition, processed and added. – M.: Publishing house of ASV, 2013. – 295 p.

8.Mulenkova, V.I. Calculation and designing of strengthening of reinforced concrete and stone structures / V.I. Mulenkova, D.V. Artyushin. – Penza: PGUAS, 2014. – 118 p.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

ENGINEERING SYSTEMS

УДК 69:519.7

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ОБЪЕКТА: МОДЕЛИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ

А.М. Данилов, И.А. Гарькина

Рассматривается концепция проектирования системного объекта, основанная на использовании принципов моделируемости, целостности, иерархичности структуры. Она может использоваться при разработке технических и нетехнических систем различного назначения (строительные материалы, конструкции и сооружения, организационные системы и др.).

Ключевые слова: системный объект, концепция проектирования, частные модели, обобщенная модель, моделирование, управление

DESIGN SYSTEM OBJECTS: SIMULATION, CONTROL

A.M. Danilov, I.A. Garkina

The concept of designing a system object, based on the use of the principle of simulation, integrity, structure hierarchycal is given. It can be used in the development of technical and nontechnical systems for various purposes (building materials, construction and structures, organizational systems, and others).

Keywords: system object, concept design, partial models, generalized model, modeling, control

Системный подход сформировался в процессе развития человеческой мысли. Основная системная проблема выражается в положении: «Целое – больше суммы его частей (Аристотель)». Свойства предметов и способы действия на высших уровнях не могут быть представлены в виде суммы свойств и действий изолированных компонентов: чтобы понять организованную целостность, необходимо знать как компоненты, так и отношения между ними. Системные проблемы до сих пор во многом остаются философскими и до конца не сформировались как наука. Это объясняется

ENGINEERING SYSTEMS

методологической неприспособленностью традиционной науки для анализа отношений в системах и недостаточностью имеющихся математических методов; успехи классической науки не привели к пересмотру ее фундаментальной парадигмы

(однолинейная причинность и расчленение предмета исследования на элементарные составляющие).

Формулирование общих принципов исследования систем (целостность и сумма, дифференциация, прогрессивная механизация, централизация, иерархическое строение

ит.п.) осуществляется в рамках общей теории систем. Системные законы представляются в виде аналогий: законов, представляющихся идентичными формально, но относящихся к описанию различных явлений в рамках разных дисциплин.

Несмотря на внешнюю простоту, очевидны затруднения в тривиальных ответах по реализации понятия «система» на различных уровнях наблюдаемого мира. Первым шагом может быть выделение реальных систем (воспринимаемых или выводимых из наблюдения и существующих независимо от наблюдателя). Символические конструкции (логика, математика и др.) также можно рассматривать как концептуальные системы (имеют реальные эквиваленты). Общая теория систем, являясь моделью определенных общих аспектов реальности, позволяет увидеть многое из того, что раньше игнорировалось (основное методологическое значение теории систем).

Воснове методологии проектирования системного объекта лежит общая форму-

лировка технического задания на проектирование. При проектировании систем нового поколения на базе традиционных происходит усложнение решаемых задач и, как следствие, увеличение сложности и стоимости проектирования, возрастают трудоемкость изготовления и время полного цикла создания объекта. Цель проектирования остается прежней, но меняется подход и методология проектирования: разработка (синтез) проекта осуществляется методом моделирования (разрабатываются частные модели, описывающие отдельные свойства систем). Предполагается, что множество этих взаимосвязанных и взаимозависимых моделей будет описывать систему с необходимой точностью, отражая всю совокупность ее свойств. Объект рассматривается как система (системный объект); обладает определенной завершенностью, целостностью, состоит из взаимосвязанных элементов, отличается от окружающей его внешней среды и взаимодействует с ней. Системные свойства изучаются на основе системного подхода.

Внаиболее общем виде системный объект обладает свойствами:

–создается ради определенной цели, в процессе ее достижения функционирует и изменяется (развивается);

–управление системой осуществляется на основе информации о состояниях как системы так и внешней среды (моделирование поведения объекта);

–состоит из взаимосвязанных компонентов, выполняющих определенные функции

всоставе системы;

–свойства системного объекта не исчерпываются суммой свойств его компонентов; все компоненты при их совместном функционировании обеспечивают новое свойство (интегративное), которым не обладает в отдельности каждый из компонен-

тов (возможность управления свойствами целостной системы).

Таким образом, фактически проектирование системы сводится к построению ее сложной модели; компоненты системы, в свою очередь, могут рассматриваться как системы. Проектируемая система является компонентом системы более высокого порядка (надсистемы). Определяется иерархия системы – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего уровня до низшего. Совокупность (объе-

динение) всех частных, взаимосвязанных, взаимообусловленных моделей рассматри-

вается в качестве проекта всей системы. Таким образом, проект системы (ряд зависимостей между целями проектирования, возможными целями их достижения, а также окружающей средой и ресурсами) есть большая сложная модель, отражающая все свойства будущей реальной системы.

Часто наблюдаемое типичное свойство (связь или зависимость) объекта, процесса

иявления, устанавливаемое опытом, при исследовании систем рассматривается как закономерность. Их выявление позволяет в значительной степени облегчить перенос

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

знаний об основных процессах, происходящих в сложных системах, из одной области в другую, независимо от их природы.

Универсальные закономерности в синергетике сложных нелинейных неравновесных открытых систем позволяют при определенных условиях переносить знания о механизмах бифуркации, деградации, самоорганизации и т.п. с одних систем на дру-

гие. Ими определяются, в каком направлении и в каких пределах возможно развитие системы; в каких пределах и направлениях исключается ее совершенствование (изве-

стные универсальные законы термодинамики предопределяют рост энтропии, деградации и хаоса для закрытых систем; рост негэнтропии предопределяет процесс организации и самоорганизации открытых систем). Условия самоорганизации или дезорганизации открытых систем определяются на основе общесистемной закономерности возрастания и убывания энтропии. Для стабилизации открытых систем следует рационально управлять энтропийными процессами в системах, в том числе точкой энтропийного равновесия, или критическим уровнем организации систем, амплитудой и частотой энтропийных колебаний, отводом излишней энтропии из системы вовне и т.п.

Из энтропийной закономерности вытекает важное следствие – зависимость потен-

циала от степени организованности или характера взаимодействия структурных элементов системы. Исходя из нее, можно определить зависимость потенциала системы от потенциала структурных элементов для хорошо, плохо и нейтрально организо-

ванной системы. Это позволяет выработать рекомендации по рациональной организации и управлению системой.

Выбор из возможных альтернативных вариантов некоторого проектного решения

(средство достижения целей проектирования) осуществляется на основе некоторых показателей (критериев выбора), обобщенно характеризующих степень достижения поставленной цели тем или иным вариантом проекта. И на этой стадии проектирования система рассматривается как совокупность взаимосвязанных, управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования для решения заданной проблемы в некотором диапазоне условий (организмический принцип). При выборе рационального варианта и оптимизации его параметров желательно использовать показатель «эффективность – стоимость», отражающий соотношение между эффективностью решения поставленной задачи и суммарными затратами на решение (обеспечение максимальной эффективности при заданных затратах или обеспечение минимальной стоимости при заданном уровне эффективности). При решении отдельных задач, в том числе обороны страны, этот показатель иногда может и не учитываться.

Любые изменения внешней среды влияют на систему. Как правило, верно и обратное: свойства внешней среды изменяются в результате работы системы. Внешняя среда, в которой существует система, является динамической системой (ее параметры изменяются во времени). Поэтому при проектировании системы с длительным периодом эксплуатации необходимо учитывать не только сегодняшнее состояние среды, но и прогнозировать ее изменения. Как уже отмечалось, система состоит из взаимосвязанных компонентов и определяет целостность, поэтому изменение параметров любого из компонентов системы вызывает изменение работы системы и ее выходных параметров: при проектировании необходимо предусмотреть возможные отказы (нарушение работоспособности) подсистем и обеспечить передачу функций одной подсистемы другой. При возможности может использоваться резервирование подсистем (в простейшем случае – дублирование; наряду с основной подсистемой используется и резервная).

При проектированиижелательнопредусмотретьвозможностьиспользованияразличных модификацийсистемы(возможныепрогнозынеявляютсяабсолютноточными!).

Существование системы определяется некоторыми основными характеризующими ее параметрами. Их сохранение поддерживает существование самой системы и опре-

деляет ее гомеостаз. Системный (общий) гомеостаз обеспечивает сохранение интегративного качества, а частный – конкретной компоненты. Влияние изменения сис-

темных параметров на систему неодинаково и, в частности, зависит от диапазона